考慮柔性輪對的車輛系統(tǒng)剛?cè)狁詈蟿恿W響應(yīng)分析

劉衍璋 孫加林 李文斌 彭啟鈺 張騫

摘要：

為研究柔性輪對對高速列車動力學性能的影響，采用剛?cè)狁詈蟿恿W仿真方法，基于CRH380高速列車模型建立了柔性輪對結(jié)構(gòu)條件下的車輛—軌道剛?cè)狁詈蟿恿W模型。分析了輪對柔性與全剛體結(jié)構(gòu)條件下的車輛模型的安全性、輪軌動態(tài)相互作用及通過性指標。仿真結(jié)果表明，在車速300 km/h時，兩模型在動力學指標上具有明顯差異，主要表現(xiàn)在柔性輪對車輛模型輪軌垂向力幅值及輪重減載率幅值都低于全剛性體車輛模型，車輛振動加速度、脫軌系數(shù)及輪軸橫向力波形結(jié)果差距較小。

關(guān)鍵詞：

高速鐵路；柔性輪對；剛?cè)狁詈?；仿真計?/p>

中圖分類號：U211.5???????? 文獻標志碼：A

近年來，中國高鐵技術(shù)發(fā)展迅速，極大的提升了人們的出行體驗。隨著列車速度以及運行環(huán)境復(fù)雜程度的提升，傳統(tǒng)多剛體仿真模型無法保證仿真結(jié)果的精確性。為確保仿真結(jié)果更加貼合實際，有必要研究剛?cè)狁詈夏Ｐ团c多剛體模型之間存在的差異。在基于模態(tài)法建立了柔性體輪對并集成到高速列車系統(tǒng)動力學模型中，柔性輪對模型對車輛系統(tǒng)的影響更大，且更接近實際情況［1-2］。隨著輪軌接觸理論的發(fā)展，提出了輪軌接觸與輪對的特定耦合方法，即車軌動力系統(tǒng)模型能夠有效反映輪對柔性對輪軌滾動接觸的影響［3］。有研究基于多體動力學理論關(guān)注了輪對結(jié)構(gòu)振動對車輛系統(tǒng)動力學的影響，柔性輪對對車輛系統(tǒng)模型影響顯著［4］。在道岔區(qū)的研究中，通過建立車輛—道岔剛?cè)狁詈蟿恿W模型，分析道岔區(qū)幾何不平順對車輛動力學性能的影響，給出了道岔區(qū)軌道幾何不平順限值［5］。研究貨車系統(tǒng)動力學模型時，通過UM軟件建立貨車剛?cè)狁詈夏Ｐ?，分析了輪對彈性振動對重載貨車動力學性能的影響，結(jié)果表明彈性輪對引起的輪對垂向振動相比剛性貨車模型振動差異顯著［6］。在城軌列車方面，建立了考慮輪對柔性直線電機地鐵剛軌道剛?cè)狁詈夏Ｐ停芍嵝暂唽?nèi)置直線電機地鐵車輛的輪軌垂向力更大［7］。通過分析輪對柔性對靜態(tài)接觸幾何關(guān)系和車輛動態(tài)性能的影響，可知輪對柔性對輪軌力和一系懸掛會造成顯著影響［8］。不僅如此，柔性輪對對于車輛的曲線通過性以及車輪的疲勞壽命都有一定程度的影響［9-10］?；贏NSYS和SIMPACK聯(lián)合仿真將輪對柔性化處理，仿真結(jié)果表明柔性輪對模型的曲線通過性能優(yōu)于剛性輪對［11］。池茂儒［12］提出了一種獨立輪對柔性耦合徑向轉(zhuǎn)向架的新方案，發(fā)現(xiàn)了獨立柔性耦合徑向轉(zhuǎn)向架的優(yōu)勢和利用潛質(zhì)。在磁浮列車方面，磁浮車輛—道岔梁耦合振動模型仿真分析了主動梁的剛?cè)狁詈蟿恿W模型，結(jié)果表明，柔性主動梁更接近實際情況［13］。方吉［14］基于剛?cè)狁詈夏Ｐ吞岢隽撕附咏Y(jié)構(gòu)振動疲勞壽命預(yù)測的新方法。本文將CRH380B動車組中的車輪假設(shè)為柔性體，基于ANSYS和SIMPACK建立剛?cè)狁詈夏Ｐ筒⒎治鰟恿W響應(yīng)，考慮實際的軌道狀況，添加京滬軌道不平順激勵，仿真結(jié)果更加接近實際運行情況。

1 車輛—軌道剛?cè)狁詈蟿恿W模型

1.1 柔性輪對的建模

在三維軟件中建立輪對模型，導(dǎo)入有限元軟件ANSYS。添加材料屬性，密度7 850 kg/m3。彈性模量2.05e11 Pa，泊松比為0.3，輪對總重量為1 651 kg。采用六面體實體網(wǎng)格單元，共劃分275 764個單元，318 244個節(jié)點，柔性輪對的有限元模型如圖1所示。

基于有限元模型進行模態(tài)分析，獲取30階彈性體振動模態(tài)，部分模態(tài)振型圖如圖2所示。

1.2 輪對子結(jié)構(gòu)縮減

模型模態(tài)分析完成后進行子結(jié)構(gòu)縮減，縮減前需保留輪對模型主節(jié)點的自由度。輪對模型選取了803個主節(jié)點，實體單元格上每個主節(jié)點保留X，Y，Z三個方向的自由度，共計2 409個自由度?？s減后要保留輪對的剛度、質(zhì)量和阻尼，生成包含輪對質(zhì)量、剛度和阻尼的CDB和SUB文件。縮減后得到基于柔性輪對的剛?cè)狁詈蟿恿W模型［15］（圖3），鋼軌廓形為60 N。

1.3 車輛模型

本文選用CRH380B高速動車組動力學模型，車輛所有部件均為剛性體，整個車輛模型部件包括1個車體、2個構(gòu)架、4個輪對、8個軸箱組成，共50個自由度。整車拓撲圖如圖4所示。

2 動力響應(yīng)結(jié)果分析

2.1 軌道不平順

兩根鋼軌在高低和左右方向與鋼軌理想位置幾何尺寸的偏差稱為軌道不平順，是產(chǎn)生機車震動的主要根源。為更好體現(xiàn)剛性/柔性輪對在多波長復(fù)雜激勵下的響應(yīng)，在線路上疊加了隨機不平順（圖5）。

2.2 動力學性能評價指標

《機車車輛動力學性能評定及試驗鑒定規(guī)范》（GB/T 5599—2019）對高速列車動力學性能指標做出相應(yīng)規(guī)定。

（1）車體振動加速度。車體振動加速度反應(yīng)了車輛的運行品質(zhì)，對客車的運行品質(zhì)評定限制：atz≤2.5 m/s2，aty≤2.5 m/s2，其中，atz為車體垂向加速度，aty為車體橫向加速度。

（2）脫軌系數(shù)。脫軌系數(shù)限定值見表1。

（3）輪軸橫向力。輪軸橫向力：H≤15+P0/3，其中，H為輪軸橫向力，P0為靜軸重，單位為kN。

（4）輪軌垂向力。中國規(guī)范《95J01-L》中對每個車輪作用于軌道的輪軌垂向力峰值的極限值規(guī)定為170 kN。

（5）輪重減載率。輪重減載率評定按速度分類：a）當試驗速度v≤160 km/h時，Δp/p-≤0.65；b）當試驗速度v>160 km/h時，Δ≤p/p-≤0.80。

2.3 柔性輪對車輛直線運行穩(wěn)定性影響

通過對比剛性輪對和柔性輪對對車輛直線運行穩(wěn)定性的影響，建立直線長度為4 000 m的軌道線路，對線路施加隨機不平順。列車速度為300 km/h，不同輪對仿真結(jié)果對比如圖6所示。

可知，對于車體振動加速度，兩模型波形結(jié)果基本一致，極值略有不同，剛性輪對車輛模型車體垂向振動加速度最大值為0.031 m/s2，柔性輪對車輛模型車體垂向振動加速度最大值為0.030 m/s2；剛性輪對車輛模型車體橫向振動加速度最大值為0.060 m/s2，柔性輪對車輛模型車體橫向振動加速度最大值為0.064 m/s2；對于脫軌系數(shù)，兩模型結(jié)果波形基本一致，但最大值略有不同，柔性輪對車輛模型整體脫軌系數(shù)峰值大于剛性輪對車輛模型，主要表現(xiàn)為剛性輪對車輛模型脫軌系數(shù)最大值為0.10，柔性輪對車輛模型脫軌系數(shù)最大值為0.21。兩模型輪重減載率分布規(guī)律也是如此，但剛性輪對車輛模型的輪重減載率幅值顯然大于柔性輪對車輛模型，主要表現(xiàn)為剛性輪對車輛模型輪重減載率最大值為0.65，而柔性輪對車輛模型為0.39，均符合安全限值規(guī)范；對于輪軸垂向力，兩模型波形結(jié)果分布也是基本一致，剛性輪對車輛模型輪軸橫向力最大值大于柔性輪對車輛模型，表現(xiàn)為剛性輪對車輛模型輪軸橫向力最大值為12.76 kN，柔性輪對車輛模型輪軸橫向力最大值為8.94 kN，均符合動力學評價標準。由輪軌垂向力波形圖可知，剛性輪對車輛模型最大值整體大于柔性輪對車輛模型，主要表現(xiàn)為剛性輪對車輛模型輪軌垂向力最大值為117.63 kN，柔性輪對車輛模型輪軌垂向力最大值為110.62 kN，符合動力學評價標準。

3 結(jié)論

本文運用有限元軟件ANSYS和多體動力學軟件SIMPACK進行聯(lián)合仿真分析，建立了柔性輪對車輛—軌道剛?cè)狁詈夏Ｐ湍Ｐ图癈RH380B高速列車模型，在長度為4 000 m的直線軌道上施加隨機軌道不平順激勵。仿真結(jié)果表明，剛性輪對車輛模型及柔性輪對車輛模型車體的橫向/垂向振動加速度變化規(guī)律基本一致，柔性輪對車輛模型的車體振動加速度最大值略大于剛性輪對車輛模型。兩車輛模型脫軌系數(shù)都滿足規(guī)范限制要求，但柔性輪對車輛模型脫軌系數(shù)最大值大于剛性輪對車輛模型。對于輪軸輪重減載率分布規(guī)律也是如此，整體輪重減載率分布波形圖一致，但幅值有較大差異，剛性輪對車輛模型輪重減載率幅值顯著大于柔性輪對車輛模型輪重減載率最大值。對于輪軌動態(tài)相互作用，兩模型的輪軸橫向力分布規(guī)律與平穩(wěn)性指標分布規(guī)律基本一致，柔性輪對車輛模型輪軸橫向力最大值略大于剛性輪對車輛模型；對于輪軌垂向力，兩模型雖變化波形基本一致，但整體剛性輪對車輛模型輪軌垂向力最大值大于柔性輪對車輛模型，柔性輪對對于輪軌動態(tài)相互作用的影響較大。

參考文獻

［1］WU X W， RAKHEJA S， AHMED A， et al. Influence of a flexible wheelset on the dynamic responses of a high-speed railway car due to a wheel flat［J］. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers， Part F： Journal of Rail and Rapid Transit， 2018， 232（4）： 1033-1048.

［2］CARLBOM P F. Combining MBS with FEM for rail vehicle dynamics analysis［J］. Multibody System Dynamics， 2001， 6（3）： 291-300.

［3］ZHONG S Q， XIAO X Q， WEN Z F， et al. Effect of wheelset flexibility on wheel-rail contact behavior and a specific coupling of wheel-rail contact to flexible wheelset［J］. Acta Mechanica Sinica， 2016， 32（2）： 252-264.

［4］LU Z G， YANG Z， LIU W W， et al. Analysis of high speed rotating flexible wheelset-flexible track coupled dynamics［C］// 24th Symposium of the International Association for Vehicle System Dynamics（IAVSD）. Graz， 2016： 1089-1098.

［5］楊愛紅，楊飛，孫加林，等.高速鐵路道岔區(qū)幾何不平順動態(tài)管理限值研究［J］.鐵道建筑，2022，62（10）：35-39.

［6］朱紅霞，劉紅軍，張成成，等.不同軌道激擾下柔性輪對重載貨車垂向振動特性分析［J］.機械設(shè)計與研究，2022，38（04）：87-93.

［7］楊云帆，周青，鞏磊，等.輪對柔性對直線電機車輛動態(tài)響應(yīng)的影響分析［J］.西南交通大學學報，2020，55（6）：1313-1319.

［8］石俊杰，崔濤，高峰，等.柔性輪對的輪軌靜態(tài)接觸和車輛動態(tài)性能研究［J］.鐵道機車車輛，2020，40（4）：6-12.

［9］郭訓，鄭樹彬，柴曉冬，等.基于柔性輪對的軌道車輛動力學仿真分析［J］.測控技術(shù)，2018，37（8）：150-153.

［10］ 吳正習，石廣田.考慮輪對柔性的車輪疲勞壽命研究［J］.鐵道科學與工程學報，2016，13（3）：557-563.

［11］ 陳新華，黃志輝，卜繼玲.基于ANSYS與SIMPACK聯(lián)合仿真的柔性輪對動力學仿真分析［J］.機車電傳動，2014， 237（2）：41-45.

［12］ 池茂儒，張衛(wèi)華，曾京，等.新型獨立輪對柔性耦合徑向轉(zhuǎn)向架［J］.機械工程學報，2008（3）：9-15.

［13］ 唐語，劉放，鄒逸鵬，等.中低速磁浮車輛-道岔主動梁剛?cè)狁詈险駝臃治觯跩］.機械科學與技術(shù)，2022，41（4）：500-504.

［14］ 方吉，楊晨曦，韓正彥.基于剛?cè)狁詈系腟Q6型車車體結(jié)構(gòu)振動疲勞分析［J］.鐵道科學與工程學報，2019，16（8）：2070-2076.

［15］ 翟婉明.車輛—軌道耦合動力學［M］. 北京：科學出版社， 2007.

Dynamic Response Analysis of Rigid-flex Coupling of Vehicle System Considering Flexible Wheelset

LIU Yan-zhang1， SUN Jia-lin2， LI Wen-bin1， PENG Qi-yu1， ZHANG Qian1，3

（1. Mechanical and Electrical Engineering College， Qingdao University， Qingdao 266071， China;

2. Infrastructure Inspection Research Institute， China Academy of Railway Sciences CorporationLimited， Beijing 100081， China;

3. National Engineering Laboratory for High-speed Train System Integration， CRRC QingdaoSifang Co. LTD， Qingdao 266111， China）

Abstract：

In order to research the influence of flexible wheelset on the dynamic performance of high-speed train， the rigid-flexible coupling dynamic model of vehicle track under the condition of flexible wheelset structure was established based on CRH380 high-speed train model by using rigid-flexible coupling dynamic simulation method. The safety， wheel rail dynamic interaction， and trafficability indicators of vehicle models under the conditions of flexible wheelsets and fully rigid body structures were researched. The simulation results show that there is a significant difference in dynamic indicators between the two models at a speed of 300 km/h， mainly manifested in the fact that the amplitude of the vertical force on the wheel rail and the amplitude of the wheel load reduction rate on the flexible wheelset vehicle model are lower than those on the fully rigid vehicle model， while the results of the vehicle vibration acceleration， derailment coefficient， and lateral force waveform on the wheel axle have a small difference.

Keywords：

speed railway; flexible wheelset; rigid-flex coupling; simulation calculations

收稿日期：2023-04-27

基金項目：

山東省自然科學基金（批準號：ZR2019PEE011）資助。

通信作者：

張騫，男，博士，副教授，主要研究方向為軌道動力學。E-mail：figozq100@sina.com